永磁同步电机全速域无位置传感的闭环控制技术

永磁同步电机全速域无位置传感的闭环
控制技术
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摘要：永磁同步电机无位置传感器算法在零低速、中高速两种状态表现不一，现有获取转速信号的方法主要有三种:基于电机基波数学模型直接计算转速(开环
直接计算)，中高速效果较好而低速表现欠佳;基于闭环控制作用构造转速信号法，滑模控制、卡尔曼滤波器、全维状态观测器等均属此类，低速带载同样存在一定
问题;基于电机本体结构、电机高频数学模型提取转速，如高频注入，低速表现
较好而高速仍需改进，因此在全速域适用仍需新的解决方案。

关键词：永磁同步电机；全速域闭环控制；无传感
引言
目前通用电控行业的无传感器控制系统一般要求至少1∶20的调速范围(5%
的额定转速下输出额定力矩)、强大的过载能力(至少150%过载)、良好的节能效果、较低的售后成本等，这些对系统的低速带载特性、鲁棒性、对复杂工况的适
应能力提出了较高要求。

本文利用PI控制器基于电机电流模型构造了全速域闭
环调速系统，在分析估算旋转坐标系的前提下，直接基于电机实际电流与电机模
型电流之差，动态地对转速进行补偿和校正，再通过积分计算得到电机转速，进
而确定转子位置。

算法带有低速区闭环控制，且由于全速域都使用电流闭环，对
于负载转矩突变等特殊工况也有快速响应能力。

为验证有效性，对算法进行了仿
真和实验，结果均表明该算法在全速域均有优良表现。

一、基于变论域模糊PI的永磁同步电机无传感控制
永磁同步电机(PMSM)的矢量控制必须用于获得电机的转子位置和转速信息，
因此机械传感器可以产生反馈信号而无需传感器控制技术。

不同的测量方法是根
据低速和高位两种额定转速指定的。

低速指的是额定转速10%。

平均速度是指额定速度的50%以上。

PMSM对高速非感官控制的研究要成熟得多，主要包括模型参考调整、观测方法等。

主要原因是在低速控制中使用电机动作步骤进行估计，但在低速阶段很难察觉。

低速阶段主要采用无感觉控制的PMSM高频注入方法，主要是振动和旋转影响，但这些方法不仅需要通过滤波器过滤基本信号，还需要过滤包含转子位置信息的信号。

过滤器还可以限制在系统中传递信号，并且设施是在两个方向上定义的，以减少一个不同的旋转位置:一种具有不同电机参数的预防算法优化算法，可以通过预测算法进行优化。

该方法一般由各种电机的参数优化，但不能用于不同的电机。

发动机控制方法的优化主要依赖PMSM闭环矢量控制。

它是2个闭环控制、1个转速控制、1个电流控制通过PI控制器连接。

PI控制器控制容易理解，但普通PI控制器不会减少高频影响造成的延迟，影响电机转速过程。

使用滞后控制器代替电流环PI控制器，系统的残馀部分会得到部分补偿，但会影响链的形状，因此会产生不必要的影响。

系统时间由当前控制的PI 控制器程序优化，因此不同电机的电机参数无法进行程序控制。

二、基于协同观测器的永磁同步电机无传感控制
无传感器控制技术的永磁同步电机(PMSM)用于确定电机绕组中的电气信号，采用反电机状态的电机旋转位置和转速用于电机上的一种模型方法，该模型参考了一种自适应和牵引观测器具有抗干扰性、杆的粗糙度、不敏感参数变化和外部干扰等优点，用于大多数非感官PMSM控制中。

但是，传统滑块存在明显的振动问题。

以sigmaid为切换功能的高通平滑观测模式会产生用于模糊控制的软控制信号，从而减少抖动。

一种基于超几何近似的滑块观测，通过选择合适的指数近似值可以减小振动。

基于传统的指数逼近法，开发了可调整系统状态的滑块，从而显著降低抖动并提高系统稳定性。

设计一种扩展滑角观测模式，将扩展的抗静电估计返回给特定的电观测通道，并通过使用SAT函数而不是传统的信号函数来改善振动。

创建一个将PMSM分散数学模型与电流偏差函数的关系相结合的观测系统，并添加角补偿以提高观测精度。

您可以通过变更马达惯性矩参数来加入扰动。

仿真确保了系统的准确估计。

三、基于扩张状态观测器的无传感永磁同步电机研究
永磁同步电机(PMSM)应用于许多领域，对于结构简单、功率密度高、控制性
能低、噪音低、寿命长的机械、机器人、空气和航天器，PMSM通常由矢量控制方
式控制，在矢量控制中，恒定电流使用坐标变换技术分为具体的扭矩分量(q轴电
流值)和规定的磁分量(d轴电流值)。

由于转子磁链的值保持不变，因此系统必须
确定转子磁链的位置，以允许耦合控制，只要子轴的电力分量方向与转子磁链的
方向一致。

传统的方法是通过机械装配的电机转向轴位置传感器获取转子位置信息。

这样增加电机轴上的转动惯量，增加电机的空间和体积，并消除系统对于无
传感器PMSM矢量控制，国内外研究人员根据不同观测模型的闭环算法开发了不
同的解决方案。

一种高通滑动观测模式，添加饱和函数，通过高频切换降低振动。

采用滑移观测方法，利用低通滤波器提取电感电信号，导致对原有信号的协整值
和相位发生变化。

采用新的瓶牵引电动机对抗电动力学进行了估计，对估计的电
感电脉冲进行了滤波，在滤波后平衡了估计的角度延迟，并相应地处理了振动问题，从而使PMSM稳定器能够投入运行。

在启动阶段使用退化观测程序是一个更
有用的功能，因为循环控制用于低速和高速过渡，并应用观测函数观察旋转速度。

第一线性状态观测器具有收敛缓慢、动态响应和抗干扰性等功能，可将PMSM的
电阻率扩展到新状态，研制第二状态传感器，提高观测精度和电阻率，并允许高
级状态观测器控制非传感器PMSM。

但高级状态观测器是线性状态观测器，需要较
高的增益。

对于PMSM定位传感器的d轴、q轴电流值，利用膨胀状态观测台观测
整体扰动，计算并综合了故障前反馈，提高了PMSM控制的精度。

四、内嵌式永磁同步电机无传感增强型直接磁链控制
磁场定向控制(FOC)和直接转矩控制(DTC)是通用的电机控制方法。

FOC技术
具有优异的转矩和磁链控制精度，但在耐受性和减少静态误差方面存在不足。

DTC技术随着系统复杂、电机参数无灵敏度和系统规律静止而降低，驱动随高电
机运行转矩点增大，低速不合适。

从而结合FOC和DTC提出了直接矢量控制(DFVC)，提供了磁链观测的精确优势，但也存在电机参数问题。

新的增强型EDFC
控制体系结构作为磁链和转矩控制，采用了改进的、基于前景补偿和电压/电流
混合链模型的反馈环磁链观测器，与传统的链观测相比，解决了部分链值的直流
位移，没有幅值和相位误差，具有较好的光滑度。

改进的高级链观测器，具有电
压和电流ix链模型，结合了高速、高性能和较高性能，速度较低。

观测磁链的
两种方法可以结合使用，也可以简化数据处理以简化或扩散系统。

结束语
本文提出了一种面向通用电控行业应用的无位置传感器算法，通过理论仿真
实验研究，结论如下:(1)该改进型电流模型自适应算法使用了电流作为控制量，
拥有霍尔传感器作为精度极高可靠性强的电流检测手段，避免了逆变器电压损失、电阻压降等系统固有因素对控制算法精度的影响，因而具有良好的鲁棒性和抗负
载扰动能力。

(2)新型算法计算简单，实用性较强，降低了微控制器资源占用，
动态性能优良。

(3)算法在电机起动时无须非常精确的转子初始位置检测手段，
进一步简化了代码和控制器设计，降低系统成本和故障发生概率。

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